浅谈ZooKeeper中Kafka相关信息的存储

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ZooKeeper是应用甚为广泛的分布式服务协调组件，它对于大数据领域的其他组件，如HDFS、YARN、HBase、Kafka等等，都扮演着基础角色。本文简单描述一下ZK如何存储与Kafka相关的信息。

在kafka.utils.ZkUtils对象的开头，预先定义了很多ZK路径，列举如下。

  val AdminPath = "/admin"
  val BrokersPath = "/brokers"
  val ClusterPath = "/cluster"
  val ConfigPath = "/config"
  val ControllerPath = "/controller"
  val ControllerEpochPath = "/controller_epoch"
  val IsrChangeNotificationPath = "/isr_change_notification"
  val LogDirEventNotificationPath = "/log_dir_event_notification"
  val KafkaAclPath = "/kafka-acl"
  val KafkaAclChangesPath = "/kafka-acl-changes"

  val ConsumersPath = "/consumers"
  val ClusterIdPath = s"$ClusterPath/id"
  val BrokerIdsPath = s"$BrokersPath/ids"
  val BrokerTopicsPath = s"$BrokersPath/topics"
  val ReassignPartitionsPath = s"$AdminPath/reassign_partitions"
  val DeleteTopicsPath = s"$AdminPath/delete_topics"
  val PreferredReplicaLeaderElectionPath = s"$AdminPath/preferred_replica_election"
  val BrokerSequenceIdPath = s"$BrokersPath/seqid"
  val ConfigChangesPath = s"$ConfigPath/changes"
  val ConfigUsersPath = s"$ConfigPath/users"
  val ProducerIdBlockPath = "/latest_producer_id_block"

我们可以通过ZK命令行或可视化工具来观察这些路径下面的存储情况。为了方便梳理，将一些主要的节点画成树形结构，用下图表示。

图中的叶子节点颜色为蓝色表示临时（ephemeral）znode，为黄色则表示永久（persistent）znode。下面我们择重点解释这些ZK路径下的信息。

broker注册信息

路径为/brokers/ids/[broker_id]，其中存储的数据示例如下。

{
  "listener_security_protocol_map": {
    "PLAINTEXT": "PLAINTEXT"
  },
  "endpoints": ["PLAINTEXT://hadoop7:9092"],
  "jmx_port": 9393,
  "host": "hadoop7",
  "timestamp": "1554349917296",
  "port": 9092,
  "version": 4
}

jmx_port：JMX端口号。
host：所在主机名或IP地址。
timestamp：启动时的时间戳。
port：开放的TCP端口号。
version：版本号。以下所有version值均是代表版本号，不再赘述。

当Kafka集群中有节点上下线时，这个路径下的数据就会更新。

topic注册信息

路径为/brokers/topics/[topic_name]，其中存储的数据示例如下。

{
  "version": 1,
  "partitions": {
    "8": [103],
    "4": [109],
    "9": [104],
    "5": [110],
    "6": [111],
    "1": [106],
    "0": [105],
    "2": [107],
    "7": [102],
    "3": [108]
  }
}

partitions：topic中各个partition的ID，以及其对应的ISR中各个broker的ID的列表。

当有topic被创建或删除，以及partition发生变更时，这个路径下的数据就会更新。通过对topic以及上节所述节点变更注册监听，就能实现producer的负载均衡。

另外，在/admin/delete_topics下还保存有已经标记为删除的topic名称（只有名称，没有其他数据）。在/config/topics/[topic_name]下保存有各个topic的自定义配置。

partition状态信息

路径为/brokers/topics/[topic_name]/partitions/[partition_id]/state，其中存储的数据示例如下。

{
  "controller_epoch": 17,
  "leader": 105,
  "version": 1,
  "leader_epoch": 2,
  "isr": [105]
}

controller_epoch：controller的纪元（代数），即集群重新选举controller的次数。
leader：当前partition leader的broker ID。
leader_epoch：partition leader的纪元（代数），即当前partition重新选举leader的次数。
isr：该partition对应的ISR中各个broker ID的列表。

controller注册信息

当前controller信息的路径就是/controller，其中存储的数据示例如下。

{
  "version": 1,
  "brokerid": 104,
  "timestamp": "1554349916898"
}

brokerid：现在集群中controller的节点ID。
timestamp：最近一次controller变化的时间戳。

如果controller信息节点被删除的话，就会触发集群重新选举controller。ZK对选主操作可以说是有天然的支持。

另外，在/controller_epoch路径下还保存有controller的纪元值，与partition状态信息中的值相同。每重新选举一次，该值就会加1。

consumer订阅信息

consumer本身的信息路径为/consumers/[group_id]/ids/[consumer_id]，其中存储的数据示例如下。

{
  "version": 1,
  "subscription": {
    "bl_mall_orders": 1
  },
  "pattern": "white_list",
  "timestamp": "1558617131642"
}

subscription：订阅的topic名称，及该topic对应消息流个数的映射。
pattern：订阅方式，可取值为静态（static）、白名单（white_list）、黑名单（black_list）。
timestamp：consumer创建时的时间戳。

通过ZK维护的consumer及consumer group信息，可以实现消费者负载均衡。

另外，在/consumers/[group_id]/offsets/[topic_name]/[partition_id]下存储有consumer group对应各个topic及partition的消费偏移量，在/consumers/[group_id]/owners/[topic_name]/[partition_id]下存储有consumer group对应各个topic及partition的消费者线程。

最优replica选举信息

当由于节点宕机等原因使得partition leader变得不再均匀分布时，我们可以使用Kafka提供的kafka-preferred-replica-election工具重新将partition创建时的最优replica（前提是在ISR内）选举为leader，也可以开启leader自动平衡的功能（auto.leader.rebalance.enable）。当正在选举最优replica时，ZK中就会创建/admin/preferred_replica_election节点，其中存储着需要调整最优replica的partition信息，示例数据如下。

{
  "version": 1,
  "partitions": [
    {
      "topic": "bl_mall_orders",
      "partition": 1
    },
    {
      "topic": "bl_mall_products",
      "partition": 0
    }
  ]
}

partition重分配信息

与上面的kafka-preferred-replica-election工具类似，Kafka还提供了kafka-reassign-partitions工具，但它的功能更为强大。它可以重新分配partition的所有leader和follower的位置，甚至更改replica数量。当集群扩容或follower分布也不均匀时，就可以利用它。该工具会生成JSON格式的重分配计划，并存入ZK中/admin/reassign_partitions节点，示例数据如下。

{
  "version": 1,
  "partitions": [
    {
      "topic": "bl_mall_wish",
      "partition": 1,
      "replicas": [0, 1, 3]
    }
  ]
}

ISR变更通知信息

各个partition的ISR集合并不是一成不变的。当ISR发生变化（比如有replica超时）时，controller会将发生变化的那个partition存入/isr_change_notification/[isr_change_x]中。目前暂时不容易找到它的数据格式，因此留空。

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